鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分及微生物多樣性研究

李秀清，李曉紅

1. 西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127；2. 山東省環境保護科學研究設計院，山東 濟南 250013

土壤是生態系統中的重要組成部分，作為一種重要的自然資源維持著陸地生態系統健康，在生態系統的物質循環和能量流動方面起著重要作用（朱永官等，2016；吳紹華等，2015；李小雁等，2016）。土壤養分在養分的分解和轉化過程中起著主導作用，影響著土壤生態系統中能量流動和物質循環，并且能夠反映出土壤質量及健康狀況等。土壤養分影響著土壤的透水性、保墑性、緩沖性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等，其含量高低是表征土壤肥力高低的重要指標之一（楊寧等，2014；陳文靜等，2017；徐蔣來等，2016）。土壤微生物參與土壤有機碳分解、腐殖質形成、土壤養分轉化和循環等過程，土壤微生物群落結構組成及活性變化是衡量土壤質量、維持土壤肥

力和作物生產力的一個重要指標（楊寧等，2014；楊寧等，2015）。受技術和方法的限制，以往的研究多側重于對植物微生物數量等的研究，而表現土壤微生物在組成和區系上的變化，還要結合土壤微生物多樣性的研究（Vaksmaa et al.，2017；Chen et al.，2017；Tedersoo，2017）。近年來，生物化學及分子生物學等測試技術的進步，推動了土壤微生物多樣性的研究。對土壤微生物多樣性的研究主要是從物種、功能和遺傳多樣性 3個層面展開的，碳素利用法、磷脂脂肪酸（PLFA）分析法和核酸分析法是研究微生物多樣性普遍采用的3種技術（吳林坤等，2014；LeBlanc et al.，2017）。其中，碳素利用法通常利用Biolog微平板來實現，其理論依據是Biolog代謝多樣性類型的變化與群落組成。Biolog是對功能微生物群落變化較為敏感的指標，被廣泛應用于評價土壤微生物群落的功能多樣性，也可以用于估價土壤微生物群落代謝多樣性和功能多樣性的研究（趙亞麗等，2015；劉彩霞等，2015；Mossa et al.，2017）。

濕地是陸地和水生生態系統之間的過渡帶，是具有獨特水文、土壤、植被和生物特征的生態系統，它承擔著碳、氮、磷的源、匯和轉化器等多項重要生態功能（Lemetre et al.，2017；Morrissey et al.，2017）。濕地積累了大量的有機碳，是陸地生態系統重要的養分庫，土壤養分直接參與土壤生物、化學轉化，對平衡土壤碳庫和保持土壤肥力具有重要意義（奚立平等，2016；青燁等，2015）。鄱陽湖是中國最大的淡水湖泊，是中國濕地生態系統中生物資源最豐富的地區，也是中國公布的首批國家重點濕地保護地之一，1992年被列入世界重要濕地名錄，是具有國際性保護意義的淡水濕地，集飲用、灌溉、漁業、航運、納污等多功能于一體，為各種水生植物和動物的生存提供了良好的環境條件，對中國長江流域洪水調蓄和生物多樣性保護有著重要作用（惠淑榮等，2016）。目前，對鄱陽湖濕地的研究大多集中在植被方面，對于土壤微生物的研究報道較少，這使得開展鄱陽湖濕地土壤養分和微生物多樣性的研究十分必要。為了研究鄱陽湖濕地土壤微生物群落變化特征，以鄱陽湖為研究濕地對象，分析鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分和土壤微生物多樣性差異，旨在為鄱陽湖濕地不同植物群落的管理提供科學理論依據，為該流域的綜合治理和生態環境的監測評估提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點分布

鄱陽湖南磯濕地國家級自然保護區處于28°52′05″N－29°06′50″N，116°10′33″E－116°25′05″E。該保護區位于鄱陽湖南部，贛江三角洲前沿地帶，在南昌市新建縣界內，區內除南山島和磯山島（鄉行政機構所在地，面積僅4 km2）外，其余為洲灘和水域，總面積約330 km2。該地區氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫17.6 ℃，全年1月份最冷，平均氣溫為5.1 ℃，7月份最熱，平均氣溫29.5 ℃。多年平均降水量為 1450－1550 mm，年蒸發量為1599.6 mm。洲灘淹沒時間視當年具體水文情勢而定，一般在 3－5個月不等，非淹水時間長達 7－9個月。研究樣地位于南磯山濕地自然保護區，保護區內濕地植被主要有湖濱高灘地中生性草甸、挺水植物、濕生植物和沉水植物4種典型植被。其中，高灘地植物區分布高程為18－19 m，平水年份不受水淹，以狗牙根（Cynodon dactylon）群落最為典型，分布于遠湖心區，該區土壤為紅色砂質土壤。挺水植物區分布高程在16－18 m，年平均出露天數為217－305 d，主要有蘆葦（Phragmites australis）、南荻（Triarrhena lutarioriparia）、菰（Zizania latifolia）等優勢群落，土壤以草甸土為主。濕生植物區分布高程為14－16 m，地勢平緩，面積大，年平均出露天數為169－271 d，土壤為草甸土，典型群落類型有灰化苔草（Carex cinerascens）、水蓼（Polygonum hydropiper）等。沉水植物區分布高程在12 m以下，枯水季節水深大于 50 cm，優勢群落類型為黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Vallisneria natans）、茨藻（Najas marina）等群落，土壤為質地黏重的水成土。研究區濕地主要生境類型及其特征可見表1。

1.2 樣品采集

于2014－2017年9月，在保護區內按照不同高程梯度分別選取 4個采樣點，樣方規格為 10 m×10 m，每個采樣點設置5個重復，用土鉆在每個樣點分別取 0－20、20－40、40－60、60－80 cm土層土樣，每個樣方內采集5鉆土混成一個單獨樣品，共采集 80個土壤樣品，分別裝入有編號的樣品袋中。剔除凋落物和石礫，取部分土樣裝于自封袋中于4 ℃下冷藏保存，用于測定土壤微生物量，其余土樣風干研磨過100目篩，測定土壤養分含量（包士旦，2006）。

土壤含水量采用恒重法測定；pH采用電位計法測定（水土比為2.5∶1）；地上和地下生物量烘干用進行稱重；土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤總氮（STN）含量采用半微量凱式法測定；土壤全鉀（STK）采用火焰分光光度計法測定（包士旦，2006）。

1.3 土壤微生物群落功能多樣性

土壤微生物作為土壤肥力和活性保持的重要參與者，其多樣性的測定常以 Shannon、McIntosh和Simpson指數進行測度。為了計算Simpson指數，將數據放大1000倍。在多樣性分析過程中，要求測定條件無菌。稱取 10 g干土，將 90 mL 0.145 mol·L-1NaCl溶液加入其中，振蕩30 min后對樣品進行稀釋（1000倍），然后使用Biolog排槍吸取100 μL土壤溶液，用ECO板進行接種并初次讀取吸光值，然后置于25 ℃下培養216 h，每隔12 h讀數1次；使用0.85% NaCl無菌溶液對樣品進行稀釋，稀釋后接種于Biolog-Eco板中，于25 ℃下培養，在此過程中每天讀取吸光值（文東新等，2016）。

Biolog-Eco板中的碳源共有31種，以平均顏色變化率（AWCD）表征微生物對碳源的利用水平。AWCD值越大，說明土壤微生物對碳源的利用水平越高，且微生物具有較大的豐度，計算公式如下（張紅等，2014）：

表1 鄱陽湖濕地不同植物群落采樣點基本信息Table 1 Basic information of sampling sites of different plant community in the wetland of Poyang Lake

公式中，Ci為第i孔的吸光值，R為對照孔的吸光值。對(Ci-R)＜0的孔，計算中記為 0，即(Ci-R)≥0。

式中，H為物種豐富度指數；Pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值。

式中，S為碳源利用豐富度指數；N為被利用碳源的總數，當吸光值≥0.25時，N為所有微孔的總和。

式中，Ds為優勢度指數。培養96 h后能夠得到相應的光密度值，對之進行主成分分析，提取得到2個主因子，進一步對微生物對碳源的利用水平加以分析。

運用Excel 2003和SPSS 13.00軟件對數據進行分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）結合LSD法（P＜0.05）進行差異顯著性分析，主成分法分析土壤微生物群落碳源利用類型；采用Pearson相關系數確定各個指標之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分

鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分由湖濱高灘地到沉水植物區，土壤養分呈增加趨勢，均表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地（圖1）；土壤有機碳表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，其中沉水植物區和濕生植物區差異不顯著（P＞0.05），二者顯著高于湖濱高灘地（P＜0.05）；土壤全氮表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，挺水植物區和湖濱高灘地差異不顯著（P＞0.05），顯著低于沉水植物區和濕生植物區；沉水植物區土壤全鉀和濕生植物區差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于挺水植物區和湖濱高灘地（P＜0.05）；土壤 pH與土壤養分呈相反的變化趨勢，表現為沉水植物區＜濕生植物區＜挺水植物區＜湖濱高灘地，不同區域土壤pH差異均顯著（P＜0.05）。

2.2 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

圖1 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分Fig. 1 Variation of soil nutrients of different plant community in the wetland of Poyang Lake

圖2 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落代謝平均顏色變化率Fig. 2 Average well color development of different plant community in the wetland of Poyang Lake

微生物群落功能多樣性能夠反映土壤中微生物的生態功能，與土壤微生物群落的生態功能更具相關性。平均顏色變化率（AWCD）是判斷土壤微生物群落利用碳源能力的重要指標之一，代表土壤微生物的代謝活性。鄱陽湖濕地不同植物群落土壤開始培養后每隔24 h測定AWCD值，得到AWCD隨時間的動態變化圖（圖 2），由圖可知，隨著培養時間的延長，鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用總體上呈逐漸增加的趨勢，培養起始的24 h內AWCD變化不明顯，沉水植物區、濕生植物區土壤微生物碳源利用在培養 24－72 h內AWCD快速增長，此時微生物活性較強，72 h后增長緩慢，192 h后急劇增長；挺水植物區和湖濱高灘地土壤微生物碳源利用在培養72 h后急劇增長，且增長幅度逐漸變大；在培養48 h以前，鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用基本一致，在48 h以后，相同時間土壤微生物碳源利用大致表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，局部有所波動。

2.3 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物對碳源利用強度

土壤微生物多樣性反映了群落總體的變化，但未能反映微生物群落代謝的詳細信息。根據鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用情況，綜合考慮其變化趨勢，選取光密度增加較快的120 h的AWCD值進行土壤微生物群落代謝多樣性的分析，按化學基團的性質將ECO板上的31種碳源分成6類：氨基酸類、碳水化合物類、羧酸類、聚合物、胺類、酚酸類，6類碳源均呈現出隨培養時間的延長，微生物利用碳源的量逐漸增加的趨勢。取每類碳源的AWCD平均值進行分析，由表2可知，土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異。鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物對6種不同碳源的利用率表現大致相同，即沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，沉水植物區利用率最高，湖濱高灘地利用率最低。鄱陽湖濕地不同植物群落對氨基酸類利用率變化范圍為 0.52－0.79，對碳水化合物類利用率變化范圍為 0.85－1.59，對羧酸類利用率變化范圍為 1.06－1.42，對聚合物類利用率變化范圍為 0.78－1.15，對胺類利用率變化范圍為 0.19－0.38，對碳水化合物類利用率變化范圍為 0.63－0.72。總體而言，碳水化合物和羧酸類碳源是鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最小。

2.4 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性

微生物群落多樣性指數可用來指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據培養第 96小時的AWCD值計算土壤微生物群落的物種豐富度指數（H）、均勻度指數（E）、優勢度指數（Ds）和碳源利用豐富度指數（S）。結果表明，鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落功能多樣性指數（除優勢度指數）存在一定差異（圖 3），鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物物種豐富度指數（H）變化范圍為1.52－3.25，表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，不同區域物種豐富度指數（H）差異均顯著（P＜0.05）；均勻度指數（E）變化范圍為0.256－0.879，表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，其中沉水植物區和濕生植物區差異不顯著（P＞0.05），顯著高于挺水植物區和湖濱高灘地（P＜0.05）；優勢度指數（Ds）變化范圍為 0.698－0.716，其中鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物優勢度指數（Ds）差異均不顯著（P＞0.05）；碳源利用豐富度指數（S）變化范圍為6.32－21.37，表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地，其中沉水植物區和濕生植物區差異不顯著（P＞0.05），顯著高于挺水植物區和湖濱高灘地（P＜0.05）。

2.5 土壤微生物群落碳源利用類型的主成分分析

主成分分析是處理數據降維的一種方法，能夠通過線性變換從多個變量中選出較少個數重要變量。為了進一步了解鄱陽湖濕地不同植物群落根區土壤微生物群落功能的差異，對 31種碳源的利用情況進行了主成分分析（PCA），采用培養第 120小時的數據進行分析，提取出4個主成分（表3），主成分1、主成分2分別能解釋變量方差的63.152%和 15.174%，前 3個主成分累積貢獻率達到92.997%，因此第一主成分、第二主成分和第三主成分為所要解釋的主成分。由表4可知，與第一主成分具有較高相關性的碳源有 23種，其中，羧酸類化合物有5種，多聚化合物有3種，碳水化合物有7種，芳香化合物1種，氨基酸3種，胺類化合物2種；第二主成分利用碳水化合物4種，氨基酸1種，共5種碳源；與第三主成分具有較高相關性的碳源僅有2種，碳水化合物1種，氨基酸1種；在主成分分離中起主要貢獻作用的是胺類和氨基酸類碳源。

表3 主成分方差分解Table 3 Principal component variance decomposition

表2 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物對碳源利用強度Table 2 Soil microorganism utilization intensity of carbon source of different plant community in the wetland of Poyang Lake

圖3 鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性Fig. 3 Soil microbial community diversity of different plant community in the wetland of Poyang Lake

2.6 土壤養分與微生物多樣性之間相關性

土壤養分為土壤微生物的重要碳源和氮源，為探討土壤養分與土壤微生物群落多樣性之間的關系，進行了土壤養分與微生物群落多樣性之間的相關性分析（表 5）。結果表明，土壤微生物群落功能多樣性各指標與土壤pH之間存在負相關關系，與土壤養分等均呈正相關關系，其中，土壤微生物群落功能多樣性各指標均與土壤養分呈正相關；物種豐富度指數（H）、均勻度指數（E）和碳源利用豐富度指數（S）與土壤養分各指標的相關系數絕對值均高于優勢度指數（Ds），說明土壤養分對土壤微生物群落優勢度指數的影響作用較小。由此可知，土壤養分和土壤pH與微生物群落功能多樣性密切相關，其中土壤pH對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為正，這是造成鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性差異的重要原因，其中有機碳和全氮是土壤微生物的主要養分來源。

3 討論

平均顏色變化率（AWCD）是反映土壤微生物活性，即利用單一碳源能力的一個重要指標，在一定程度上反映了土壤中微生物種群的數量和結構特征。AWCD值越大，表明細菌密度越大、活性越高；反之，細菌密度越小、活性越低（Yuan et al.，2017；Lange et al.，2015）。分析鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落的代謝活性發現，不同植物群落土壤微生物活性呈現一致的變化趨勢，在整個培養過程中，沉水植物區和濕生植物區土壤微生物對 Biolog-ECO板中碳源的代謝能力明顯高于挺水植物區和湖濱高灘地，分析其可能的原因是：挺水植物區和湖濱高灘地土壤中存在著與Biolog-ECO板中碳源物質高度協調的微生物（其養分含量較高），能充分利用板中的碳源，供微生物利用的碳源種類和數量逐漸增加，微生物的數量也隨之不斷增加。土壤微生物活性與植被屬性有一定關系，沉水植物區土壤微生物群落代謝活性最高，這與前人的研究結果一致（譚宏偉等，2014；高明霞等，2015）。原因在于沉水植物區植物生長旺盛，植物殘體和根系分泌物數量都很多，導致進入土壤的新鮮有機物質顯著增加，這大大刺激了土壤微生物的生長和繁殖，從而顯著提高代謝活性（Zhalnina et al.，2015）。對于湖濱高灘地，土壤水分含量較低，根系需從土壤中吸收大量的養分，進而減少了對土壤微生物養分的供應，這一方面使微生物的繁殖受到一定的影響（Quadros et al.，2016；Siles et al.，2016），另一方面使微生物的代謝活性也有所降低。與湖濱高灘地相比，沉水植物區是自然植被條件下長期自然選擇的結果，形成了較和諧、平衡的微生態環境，而且人為干擾少，植被種類豐富，每年產生大量凋落物，豐富了微生物所需的營養物質來源，因而其土壤微生物活性明顯高于湖濱高灘地。可見，地上部植被歸還土壤的有機物的數量可能是土壤微生物群落代謝活性的影響因素之一，其土壤微生物群落代謝活性較低，碳源利用能力相對較弱（邢鵬飛等，2016；朱平等，2015）。本研究中土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異，沉水植物區土壤微生物群落對6類碳源的利用率最高，湖濱高灘地最低，主要是由于沉水區植物種類豐富，水量充足，有利于微生物的大量繁殖，與此同時，其較高的養分含量也促進了土壤微生物多樣性的增加。總體而言，碳水化合物和羧酸類碳源是不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最小。

表4 31種碳源的主成分載荷因子Table 4 Principal component load factors of 31 carbon sources

表5 土壤養分與微生物多樣性之間相關性Table 5 Correlation between soil nutrients and microbial diversity

豐富度指數和多樣性指數可以反映土壤微生物群落利用碳源類型的差異。Shannon多樣性指數表示在顏色變化率一致的情況下，整個生態系統土壤微生物群落利用碳源的種類數，即功能多樣性，反映土壤微生物群落物種變化度和差異度，指數值越大表示微生物能夠利用的碳源種類越多（陸曉菊等，2015；戴雅婷等，2016）。Mc-Intosh指數反映群落的物種均一性，一般物種數（能被利用的碳源數）越多，某些優勢明顯的（碳源利用強度大）物種群落的McIntosh指數值越大。Simpson指數可從反映出土壤微生物群落中最常見物種的碳源嗜好。Shannon均勻度指數是通過Shannon多樣性指數計算出來的均度，包含兩個因素：其一是種類數目，即豐富度；其二是種類中個體分布的均勻性。種類數目越多，多樣性越大；同樣，種類之間個體分配的均勻性增加也會使多樣性提高（Yuan et al.，2017；Lange et al.，2015）。根據培養第 96小時時的 AWCD值計算土壤微生物群落的 Simpson指數、Shannon-Wiener指數、豐富度指數和 McIntosh指數。Shannon-Wiener指數反映了微生物群落物種變化度和差異度，較高的Shannon-Wiener指數代表微生物種類多且分布均勻，草本Shannon-Wiener指數最高，表明沉水植物區土壤微生物群落種類最多且較均勻，并且不同植物群落土壤微生物群落功能多樣性指數差異較大。

碳源利用類型的主成分分析結果表明：不同植物群落土壤微生物群落代謝功能多樣性有顯著差異，受影響最大的碳源主要是羧酸類和聚合物類，而這些碳源與根系分泌物關系密切，說明羧酸類和聚合物類的根系分泌物對微生物群落功能有較大影響（Mendes et al.，2015；Sengupta et al.，2015）。而根系分泌物起到了直接或間接的作用，這些物質對微生物和植株具有自毒作用而導致其積累。土壤養分為土壤微生物的重要碳源和氮源，為探討土壤養分與土壤微生物群落多樣性之間的關系，進行了土壤養分與微生物群落多樣性相關性分析（表5）。結果表明，土壤微生物群落功能多樣性各指標與土壤pH之間存在負相關關系，與土壤養分等均呈正相關關系，其中，土壤微生物群落功能多樣性各指標均與土壤有效養分呈極顯著正相關（P＜0.01）。由此可見，土壤養分和土壤pH與微生物群落功能多樣性密切相關，其中土壤pH對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為正，是不同植物群落土壤微生物群落多樣性差異的主要影響因子。

4 結論

鄱陽湖濕地不同植物群落土壤養分和有效養分基本表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地。鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物群落代謝平均顏色變化率（AWCD）隨培養時間延長而逐漸增加，土壤微生物群落代謝活性表現為沉水植物區＞濕生植物區＞挺水植物區＞湖濱高灘地。土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異，碳水化合物和羧酸類碳源是鄱陽湖濕地不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最小。土壤微生物群落的物種豐富度指數（H）、均勻度指數（E）、優勢度指數（Ds）和碳源利用豐富度指數（S）均以沉水植物區為最高，湖濱高灘地最低。主成分分析結果表明，對碳源利用起主要貢獻作用的是胺類和氨基酸類碳源；土壤微生物多樣性指數與土養分之間呈正相關，與pH呈負相關，而土壤全碳和全氮含量對土壤微生物多樣性貢獻較大，這是造成土壤微生物群落功能多樣性差異的主要原因。物種豐富度指數（H）、均勻度指數（E）和碳源利用豐富度指數（S）與土壤養分各指標的相關系數絕對值均高于優勢度指數（Ds），說明了土壤養分對土壤微生物群落優勢度指數的影響作用較小。

綜上所述，土壤本底因子、植物種類組成和覆蓋度均影響土壤微生物活性和群落功能多樣性，深入研究這些因素對土壤健康、生物肥力培育及土壤可持續利用具有重要的理論和實踐意義。